干密度和干湿循环作用下黄土土水特征曲线的变化.docx

干密度和干湿循环作用下黄土土水特征曲线的变化 非饱和土中水、气、土粒交界面的表面张力现象，以及水-土相互作用引起的吸力，是影响非饱和土壤特性和性质的重要因素。它也是非饱和土壤肥力学的中心主题。我国西北地区分布着大面积黄土,许多高筑边坡、土坝、路堤、填埋场等工程活动都直接使用或建于黄土之上。在干旱半干旱气候和地下水深埋条件下,90%以上的工程黄土都处于非饱和状态,且非饱和状态在不断发生变化,对其工程性质的研究常常要考虑土中吸力的作用。土中吸力是由土的毛细管特性、吸附特性和孔隙溶液中溶质的渗透性决定的,可分为基质吸力和溶质吸力。土力学中定义基质吸力s为孔隙气压力ua与孔隙水压力uw之差,即s=(ua-uw),这是被广泛接受的基质吸力定义式。包承纲指出一般黏性土和砂性土的基质吸力通常为土中吸力的主要部分,是工程中关心的重点,沈珠江也指出溶质吸力对一般土的变形、强度、孔隙水流的影响可忽略不计,本文中土的吸力沿用狭义上的基质吸力。栾茂田等从力的产生、作用机制、物理意义等方面对基质吸力进行了探讨。目前,土中吸力主要依据量测特定土样的土水特征曲线(SWCC)来确定。土水特征曲线表征了非饱和土中吸力与含水率的关系,是解释非饱和土工程现象的本构关系之一。它将理论、试验测试与预测方法有机地联系起来,可以从该曲线获得土的渗透函数、抗剪强度等有关参数。因此,对黄土土水特征曲线进行测试研究对了解和预测黄土地区非饱和土的工程性质具有重要意义。 1 试验材料和方法 1.1 不同干密度黄土试样的制备 试验黄土取自甘肃兰州(简称兰州黄土,代号为LH),表1所示为试验材料的基本物理性质指标。为探究密度对黄土土水特征曲线的影响,采用JDS-2型电动标准轻型击实仪制取不同干密度的黄土试样。标准击实试验确定的黄土击实最大干密度为1.76 g/cm3,最优含水率为16.5%。随后,采用相同击实功在不同含水率下击实制取不同干密度的黄土试样。表2所示为不同密度土样的基本参数,其中,LH-A试样为标准击实的最大干密度黄土试样。 1.2 试验方法和仪器 1.2.1 测试系统和数据采集系统 张力计可以直接有效地测定0~85 k Pa范围内土的吸力。本次低吸力段黄土土水特征曲线采用德国UGT公司生产制造的DT04-01型Ku-p F非饱和导水率测定系统进行测试,该系统由称量系统、测试系统和数据采集系统3部分构成,其理论基础源于Schindler提出的观点。 试验前将土样放置在样品容器(底面积S=41.3cm2,高h=6.05 cm)中完全饱和。测试时,样品及容器放置在具有星型吊臂的测试系统上,以一定的时间间隔周期性运转,当吊臂经过天平时,土样每运行1个周期时称其质量,以确定水分的变化量。每个样品容器配备间隔3 cm的2个张力计用于测量土样的吸力变化,张力计的读数与相应的土样质量将通过数据采集系统自动记录在电脑上。试验完成后,将土样烘干称其质量,便可以确定不同时刻土样含水率与吸力的关系。 1.2.2 压力膜仪组成结构 压力膜仪可用于测定0~1.500 MPa范围内土的吸力。本次高吸力段黄土土水特征曲线采用美国Soil Moisture Equipment公司生产制造的1500F1型15Bar压力膜仪测试。该仪器主要由小型空气压缩机、压力提取器和高进气值多孔陶土板3部分组成。 压力膜仪将多年来一直使用吸力方法提取水分的过程进行改良,使液相水在相同正压力作用下通过多孔陶土板达到平衡状态。试验时,直接将土样放置在多孔陶土板上,封闭提取器并向其中加压。当提取器内部的气压升高到超过1×105Pa时,高气压使多余的水分沿着陶土板上的微细孔向外压,直到土颗粒上水膜的有效曲率半径等于压力膜仪微细孔上水膜的有效曲率半径时,就达到了平衡状态。图1所示为水分提取过程中压力提取器内部多孔陶土板上的土颗粒放大图。当水分提取达到平衡状态时,提取器中的气压与土的吸力相等,取出少量土样烘干测定含水率,便可确定土样在不同吸力状态下对应的含水率。 2 结果与讨论 2.1 土水特征曲线 影响土水特征曲线的因素主要有土的矿物成分、孔隙结构、土体的收缩性和应力历史等。Sillers等总结了不同类型土的持水特性,给出了各种土的土水曲线形态(见图2)。图2中同时示出了兰州黄土最大干密度试样脱湿过程的实测土水特征曲线。从图2可以看出:兰州黄土土水特征曲线符合粉土的反“S”型曲线形态时,在初始条件下,土体含水率随基质吸力增大降低幅度很小;当基质吸力大于进气值时,土样开始以某一特定速率快速失水;随着基质吸力不断增大,土样的失水速率不断降低,直至最后达到残余含水率而不再变化为止。土的进气值是空气进入土体孔隙时必需达到的基质吸力值,表征引起土体内部最大孔隙开始失水的水气压力差。兰州黄土的进气值为17.3k Pa,对应的体积含水率为33.